梦想“传”动你我,科技“感”知校园 ——交大二附中机器人社团科技教育实践活动方案
作者:黄婕   发布日期:2014-10-27 13:20:13   阅读数:1009

一、活动背景

我校科技创新实验室为许多同学插上了设计创新的梦想翅膀,然而随着时代的变迁和科学技术的飞速发展,科技创新实验室里的设备也紧跟着更新换代,许多元器件(尤其是传感器)也因诸多客观原因被迫成为实验室里的闲置物品。然而“上海市推进智慧城市建设的计划”中“物联网”一词引起了我们的关注。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其英文名称是:“The Internet of things”。由此顾名思义,物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:其一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换通信。物联网是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起,形成人与物、物与物相联,实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸,它包括互联网及互联网上所有的资源,兼容互联网所有的应用,但物联网中所有的元素(所有的设备、资源及通信等)都是个性化和私有化的。

我们新奇于物联网把各种传感器嵌入和装备到铁路、建筑、桥梁等各种物体中,与现有的联网技术一起,实现人类社会与物理系统的整合而改善人与自然间的关系,为纠结于实验室闲置的传感器去留的我们指出明了一条道路,怀着对优化学校环境,展现学校科技特色魅力的美好向往,一个基于“传感器”技术打造的“校园物联网”雏形随之酝酿产生。

二、活动目标

(一)通过活动,学生能了解“物联网”技术及其应用。

(二)通过对“校园物联网”实践过程的展现,学生提升对传感器技术的认识和熟练应用。

(三)通过共同建设“校园物联网”,让学生感知科学技术对建设智慧校园的重要意义,能将科技魅丽对周围一定的环境产生有效延伸和辐射,增进爱校、爱科学的热情。

三、活动主题

“用智慧点缀校园”

四、活动内容                        

(一)理论指导:以CDIO工程教育模式为理论指导。

CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate),是近年来国际工程教育改革的最新成果,该模式由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学自2000年起,经过四年的探索研究提出。它以产品从研发、生产、到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践的方式学习工程,培养学生的四大能力,即理论知识、个人素质和发展能力、团队协作能力、和工程-社会大系统适应与调控能力。

(二)活动形式:该实践活动共分为前期准备阶段、研究设计阶段、成果展示阶段三部分内容:

1、前期准备阶段:以学校科技节为契机,针对高一、高二年级开展“物联网”专题知识科普讲座,辅以观看科普影片、宣传栏等多种形式,引起全校学生对“物联网”技术的广泛重视,为科技社团学生的探究活动创造条件和营造氛围。

2、研究实践阶段:机器人社团的学生采用访谈、问卷等多种方法,对校园各个角落实地考察,对校园可建立起“物联网”的条件进行研究和探讨,在教师和导师志愿者的指导下,以“校园科技项目创新研究表”为引导开展传感网设计和实践,提高机器人社团学生对科学技术使用的水平,切实将科技改进生活的概念融入到学生的学习与生活中,并力求在“校园物联网”实践活动中取得突破效果。

3、成果展示阶段:此环节为学生“物联网”设计成果提供展示的平台,分专家评审和大众点评两个环节。专家评审专场将使我们学生得到更权威的点评,促进社团学生更专业的成长,同时在同学点评环节必将为我们“校园物联网”的畅想锦上添花,更期待同学意见征询环节能对“校园物联网”产生更完善的构想,弥补学生成果的不足,使学生的设计空间得到延伸,后期活动得到拓展。

 

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五、活动创新点、重点、难点

(一)活动创新点五、活动创新点、重点、难点

现有资源与科学技术的有机结合。具体体现在:

1、现有资源:实现科技创新实验室中,闲置的传感器得以有效利用。

2、科学技术:活动中以“物联网”概念为引导,剖析其中的传感网技术层,通过活动正确理解传感器技术与物联网的联系与应用。

(二)活动重点

1、在校园一定范围内普及“物联网”知识,大力宣传“物联网”技术在我们生活、工作和学习中的使用意义。

2、用课题研究的形式培养学生形成发现问题的意识,切实地将知识运用于实践,培养学生解决问题的能力。

3、通过活动引起学生对新兴科学技术的重视,关注科技服务于生活,培养学生社会责任感。

(三)活动难点

1、环境资源的有效性。对大多数校园学生来说“物联网”仍是个陌生的词汇,因此要在校园的有效空间内开展“物联网”的设计研究,需要与此相关的科学、专业的环境支持,为活动的开展创造有利而科学的条件。

2、技术支持的即时性。部分指导教师对“物联网”也存在一知半解,所以严把教师关,充分利用校内外教师资源(交大、华师大专家团),追求在活动中教师对学生支持的即时性。

六、活动对象

活动科普对象:为高一、高二年级,共计408名学生,占高中部在校学生总人数的 67.5 %。

提高活动对象:机器人社团(高中部)30名学生,占高中总人数的4%。

七、开展活动的现有条件

(一)在初期调研中,“校园物联网”科技实践活动已经得到学校尤其是政教处和教导处在学生评价和班级评价中的认可。

(二)学校图书馆、网络多媒体教室等多个场所可供学生获取资源。

(三)学校三类课程目前发展到较为成熟的阶段,有效多样的学习方法为学生的研究活动提供了科学性的保障,为学生开展这一活动提供了时间保证,每个班级都有具体负责的指导老师,保证活动的顺利进行。

(四)学校首次被评为区科技特色学校,燃起了师生关注科技活动的激情,新一届科技节的举办为科普活动铺开了畅通道路。

(五)上海尚和一商务服务有限公司、上海交大、华师大教授专家团可以作为雄厚的技术顾问,能对活动在开展过程中出现的技术性问题提供有力的指导。

八、活动实施步骤及阶段(总耗时10周,2013年3月18日—5月31日

(一)前期准备阶段(知识科普、氛围营造,时间3周)

活动时间:3周(3月18日—4月5日)

活动对象:高一、高二年级学生

活动形式:网络搜索、图书馆资料查找,进行“传感网”相关知识的探究式学习;

活动地点:网络教室、图书馆、教室

活动过程:

1、以科技节为契机,选择在班会课时间,邀请上海尚和一商务服务有限公司工程师到我校对学生进行“物联网”科技知识的普及讲座。

2、选择在科技节期间的某一个周末,组织科技社团的学生到上海尚和一商务服务有限公司关于物联网的研发基地、试验室参观学习。

3、向学生发放“物联网知识学习表单”,通过以下途径完成表单填写。

(1) 学生利用课余图书借阅时间在图书馆查找有关“物联网”知识;

(2) 学生通过家庭、校园网络搜索“物联网”知识;

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(附:物联网科普知识学习表单)


4、利用校园电视台、黑板报以及信息橱窗在全校展开“物联网”科技知识的普及。

5、通过校园电视台、青春广播站与校园网上宣传“校园物联网”科技实践活动,宣讲“物联网”技术对建设智慧校园的重要性,在校园内外营造科普活动氛围。

(二)第二阶段:研究设计行动(“物联网”知识运用阶段,时间5周) 

 机器人社团在以往的学习与活动过程中已具备了相当的综合性较强的科技素质,“校园物联网”的系统设计对于他们来说是一项集动手动脑为一体的科技知识综合实践,相对于其他课程的学生来说,这一活动交给科技社团更具有实践性与科普性,同时也为“物联网”后期的有效开展进行前期实验性铺垫。

活动时间:5周(4月8日—5月10日)

活动地点:校园内

活动对象:机器人社团

活动形式:社团成员以自由组合的方式重组成新的十个团队,根据“组间同质,组内异质”原则形成工程师+程序员+智囊者的小组形式,组成探究活动小组,并在上海交通大学、上海华东师范大学志愿者导师团中邀请一位导师志愿者为自己的项目研究导师全程监督指导,以历年创新大赛上交材料的要求与步骤开展课题研究。

活动过程:以CDIO工程教育模式为理论指导展开创新活动(部分以B课题小组的“桶装水缺水自动提醒装置”为辅例)。

1、C(Conceive)-构思

课题需求分析:课题小组成员为课题的可实施需求度做前期调研,分析现象,寻找问题。

例如:B课题小组对我校唯一的桶装水送水工人一周内校内送桶装水的状况进行了研究,得出如下数据:

初中+高中

周送水次数

有效送水次数

有效送水次数比

电话叫水次数

教室40间

2.82

2.10

74.47%

0

办公室+实验室34间

2.25

1.26

56%

0.8

行政楼+会议室23间

2.13

1.15

53.99%

0.8

送水工人往教室、办公室、实验室和会议室各送水2桶/次,送水工人的桶装水存放点位于初中部一楼,按照如上的调查数据显示,送水工在无法判断某处饮水机是否需要送水的情况下,需要多次往返于各个送水点,由此造成人力物力和时间的浪费,因此B课题小组产生了为送水工人设计一个“桶装水缺水自动提醒装置”的构想,并以以上研究数据为依据,面向全校师生展开了一次针对“饮水机缺水时与校园的送水工人传递送水信号是否有必要”的需求性调查,随机被访问到的100位师生中全部表示有必要,为B课题小组的课题构思提供了有力的需求支持。

2、D(Design)-设计

开题报告:课题小组成员需填写“开题报告”,报告中除了说明课题名称、成员、指导教师等基本信息外,还需要通过演说展示的形式,向导师团阐述这个课题是如何提出的或目的与意义(课题缘起)、课题研究的内容、课题研究的方法、课题研究的步骤、开展课题研究的条件、成员分工情况、预期研究成果(论文、调研报告、制作模型、实验报告、其他)和成果表现形式(文字、图片、实物、音像资料、其他),由导师团进行评估,提出总体评价和修改意见。

例如:B课题小组的研究设计如下表。

申报者

姓    名

沈琦   

性别

男  

出生年月


其他成员

王丹 汪超凡

年级

高一  

课题现阶段情况

(请打√)

 

√设想    □方案完成    □实施   □完成

       

课题由来

(怎么想到的)

学校送水的老伯伯每次大汗淋淋地推着两桶桶装水放教室的门口,有时候却只是白跑一趟,这让我突然想到我是否可以做点什么?物联网知识讲座进校园为我打开了思维的天窗,机器人实验的传感器正好为我插上创新的翅膀,也许,我可以做一个提醒装置来帮助老伯伯。

课题简介及实施方案(可另附页)

(你想怎样做)

1、调查送水工每周的送水的情况,收集有效数据,以数据为根据抽样征求师生对此设计研究的支持态度,判断此设计的可行性。

2、画出设计草图。

3、选择可用的传感器(压力传感器、重量传感器等)。(附图)

4、以实验室的材料作为模型,设计出小型的桶装水缺水自动提醒装置。

存在问题

实验室的乐高器材没有压力传感器或者重量传感器

教师咨询建议记录

方案可行,技术符合学生知识水平,可补充材料支持学生创作。

3、I(Implement)-实现

 研究开展:课题小组填写“课题小组活动记录表”,记录下每次研究活动的时间、地点、内容概述,以及活动的目的、活动形式(小组讨论、访问专家、实验、查阅资料、实地测量、问卷调查、其他),详述活动的过程,总结活动结果(得到什么结论、解决了哪些问题、是否完成预定的计划或目标、出现了什么新问题等),并对每次活动做出表现评价(自评、互评与师评)。

例如B课题小组设计研究的过程记录:

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4、O(Operate)-运作

(1)中期汇报:课题研究活动进行到第三周,课题小组须向指导教师做中期汇报,要求统计课题组活动的次数,提供每次活动的小组活动记录、课题研究至此所用到的资料目录与原始数据,指导教师须对研究内容或任务的完成情况严格把关,鉴定汇报结果。

(2)结题报告

成果形式:有原始数据资料、创造发明小论文、项目设计报告(含实验设计报告)或创新发明成果报告,三维设计图或者实物系统模型。课题小组研究结题时,在指导教师的指导下填写结题报告表,成果形式可以是论文、实验报告、创新设计或者其它,并对在研究过程中使用到的参考文献、过程性文字资料和实物材料进行汇总,课题指导教师先针对课题研究成果,根据其完整性、达成度、可信度与实际水平给出评价,在活动的第五周将结题材料上交到教师团进行初审,最终选出优秀作品进入导师团的终审环节。

(三)第三阶段:后期成果展示(2周,5月13—5月31日

1、成果视频展播:经过第二个阶段的研究和实践,“校园物联网”设计成果将接受校内教师的初评产生一定数量的优质作品接受第二轮校外专家教授的终评,终评采用现场PPT以及实物展示答辩形式,与专家进行7分钟的面对面答辩,这一轮终评过程将全程拍摄为视频,编辑成“校园物联网”设计答辩专辑后,以科技节闭幕式为契机,通过校园电视台在班会课时间向全校播放,一同分享科技研究成果。

2、后续活动拓展:在校园电视台播放终评视频的时间,向高一、高二年级学生发放“校园物联网之我的设计意见”征询单,收集这两个年级的学生在观看终评视频之后个人对评审项目的意见和建议,并反馈给相关项目科技小组,为该项目的后期进一步完善和拓展提供设计延伸空间。

 七、可能出现的主要问题及解决预案

(一)学生在“校园物联网”课题研究是遇到技术困难

“物联网”对于校内学生仍是一个新生概念,所以这一块的内容重点提出来由创新科技团队来实施对学生们仍然具有一定挑战,老师们除了研究方法的指导之外,学生可能会遇到二维、三维模型制作和呈现方法上的技术困难,甚至是更加专业性的知识问题困难。因此,社团的指导教师在学生整个的设计探索过程中要给予及时的技术支持与高等学府智囊团的利用。

(二)学生出现意志力不坚强与耐力缺乏

不论是兴趣,还是责任,又或者是任务,研究的开始阶段都能得到较为顺利的进行,然而研究的过程难免遇到挫折,这个时候往往有学生会表现出意志力消沉的情况,产生放弃的念头表现出无法坚持,所以任何一位教师都应该关注学生研究过程中所表现出来的状态,给予学生及时的疏导调整,帮助学生克服心理上的困难,培养学生坚持不懈的性格。

八、活动预期效果与呈现方式

(一)积累一定的“物联网”科普资料。

整个活动的过程中学生学习表单、竞赛资料、课题研究成果、影像资料将被存档,为以后的科技实践活动提供借鉴资料。

(二)学生综合能力与科学素养的提升

活动形式重点采用课题研究与创新项目开发的形式,学生在三类课程中学习到研究方法将切实运用于解决实际问题,一个个研究课题学生档案袋与设计方案将记录下学生成长的脚步,为今后的课程完善提供有力的参考价值。

(三)设计“校园物联网”,并制定实施计划。

引入传感器技术的运用作为创新实践内容之一,这能充分地将机器人多边相关技术实现综合的运用,体现学科特色的同时,更让学生对新生事物的学习提供了广阔的思维空间,活动结束预期至少产生两个优秀的可供实施的方案。

(四)活动产生一定的可推广性

将科学技术实践于密切接触的周围环境,能折射出学生行为的规范性与责任意识,通过科普活动表现出来的对学生行规的影响,这无疑是值得推广的科普实践活动衍生效果。

(五)活动成果在区域内形成一定示范性

“校园物联网”目前在闵行区乃至上海市都还未曾有实施的案例,所以率先开展“校园物联网”设计活动,将更有机会体现出学校的科技特色,力求成为一定区域的示范。

九、整个活动评价标准与方式

(一)前期准备阶段评价方法

1、“物联网知识学习表单”的完成度将作为总评参考依据之一。

2、“物联网技术”知识竞赛(闭卷笔试)。

活动时间:试题征集整理1周,竞赛时间20分钟。

活动地点:网络计算机房

活动对象:高一、高二年级

活动形式:通过网络数据库随机抽取测试题进行作答(20分钟做50题,每题2分)。

活动过程:科技教研组教师将征集到的知识竞赛试题编程选择题,由信息组老师将问题整理成题库并导入科普知识竞赛系统,利用探究课进行作答。学生完成竞赛测试,系统现场反馈分值,按照成绩排名,高中每个年级一等奖6名,二等奖12名,三等奖18名。

(二)研究设计行动评价方法

主要采用过程性评价(附《研究性课程学生手册》)

基本内容:人员分工、活动记录、自评互评等等;

四个必有:有目标计划、有实施过程(照片、影像)、有思维推进、有反思总结;

1、校内教师初评。

根据以往的研究课题结题状况,成果往往良莠不齐,所以初评时由高中课程教研处教师共同对学生的研究报告做出评价,根据“结题成果展示(答辩)评价表”中的成果规范性、合作分享、展示答辩三个评审内容中共计9条评价标准(附“结题成果展示(答辩)评价表”),根据总分和评价等第,选出相对优秀的传感网创意项目课题,推荐给后期的高校教授、专家进行终审评比。

2、校外专家终评。

经过初评后产生的“校园物联网”优秀设计项目,采用现场PPT以及实物展示答辩形式,与终审专家进行7分钟的面对面答辩,同样根据“结题成果展示(答辩)评价表”中的成果规范性、合作分享、展示答辩三个评审内容中共计9条评价标准(附“结题成果展示(答辩)评价表”),根据总分和评价等第,最终评出一、二、三等奖的优秀“校园物联网”相关设计创意作品,获得一等奖的作品学校将编入《校园优秀课题(项目)研究作品集》,并将有价值的作品向各级各类创新比赛推荐,获奖项目参与的学生将获得一定的物质奖励。

十、活动小结及反思

在学校领导、上海交通大学、华东师范大学以及闵行区青少年活动中心的支持下,历时十周的《梦想“传”动你我,科技“感”知校园》科技教育实践活动得以顺利的展开,并取得了良好的效果。

本次活动由前期准备、研究实践、成果展示三个阶段组成,前后共计耗时十周。

前期准备阶段以学校科技节为契机,高一、高二共408名学生为对象,通过学习表单、三类课程普及、竞赛等方式开展“物联网”知识科普,旨在让更多的同学了解“物联网”技术中“传感器”在其中应用的重要意义,为研究实践创造有利的条件。魔灯的利用体现了现代教育的手段,同时竞赛试题征集的方式大大提高了学生的参与兴趣,将此次活动对象扩大到了预初、初一、初二的师生,迅速扩大了知识的普及面。最终除了高三初三两个年级外,每个年级产生了一等奖6名,二等奖12名,三等奖18名。

研究实践阶段以学校机器人社团和少年科学院学员为主要参与对象,支持课题组成员自由组合,以课题研究的形式,利用多种调查研究方法进行“校园物联网”的设计与实践,合理利用了高校师生资源,成果经过校内初评和专家终评两层筛选,从申报的涉及工程学、化学、生物化学、环境科学与社会科学5个方面的21个学生课题中,产生具有可行性的优秀方案13个。

成果展示阶段,在科技节闭幕式上将成果产生的过程以视频形式通过校园电视台向全校同学转播,共同分享我们解决问题的喜悦,同时以意见征询单的形式向同学们征集设计成果的意见和建议,力求设计项目的进一步完善和拓展,最终评选出一等奖2个,二等奖3个,三等奖5个,并形成优秀学生作品集。

全校超过80%的学生参与了此次活动,并合理利用了华师大、交大高效师资资源,达到了逾期的效果,形成了后期科技活动的科普资料,为区内首例以“物联网”为主题技术的科技研究活动,整个活动采用过程评价与结果评价相结合,侧重于对教师与学生正面激励性的评价,力求“真行动发现真问题,真问题驱动真研究,真研究获得真成效”,具有相当的示范性。

此次活动主题鲜明,充分体现了我校“机器人”科技特色学校的科技特点,课题成果甚慰人心,然而也存在着诸多不尽人意之处,缺乏存档意识,活动过程没有及时留下丰富的影像资料最为遗憾。在今后的活动中我们将再接再厉,及时保留住学生成长的足迹和灵感闪现的瞬间,为学生的成长多多普撒科技之光。